2022年PWM功率放大电路 .pdf

PWM 功率放大电路卢浩天LC 梦创电子制作工作室一、PWM 功率放大原理PWM 功放电路有单极性和双极性之分。双极性指在一个 PWM周期内，电机电枢电压正、负极性改变一次；单极性指PWM 功放管工作时，有一个 PWM 信号端和一个方向控制端， 在电机正转或反转时，仅有对应的一对功放管通电，而另一对功放管截止。因此，电机电枢在正转或反转时，正、负极性是固定的，即是单极性的。若忽略晶体管的管压降， 可以认为 PWM 功率放大管的输出电平等于电源电压，即|ABU|=CU。 图 1 描绘了电枢的电压波形和电流波形。在图中，T为 PWM 脉冲周期，PT为正脉冲宽度，hT为负脉冲宽度。电枢两端的电流是一个脉动的连续电流，从图可看出，电枢两端的电流是一个脉动的连续电流， 加快 PWM 的切换频率， 电流的脉动就变小，结果近似于直流信号的效果，使电机均匀旋转。同时，如果改变PWM 的脉冲的宽度，电枢中的平均电流也将变化，电机的转速便将随之改变，这就是PWM 调速的原理。在图中， PWM 脉冲频率决定了电枢电流的连续性，从而也决定了电机运行的平稳性。 如果脉冲频率切换频率选择不当，电机的低速性能有可能不理想，容易烧坏晶体管，而且由于电流不连续，电机有可能产生剧烈震荡，甚至出现啸叫现象，这些都是不允许的。因此，在设计 PWM 功率放大器时，要慎重选择切换频率。 为了克服静摩擦，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - 改善运行特性，切换频率应能使电机轴产生微振，即：SACTMTTLUKFF4式中，TK为转矩系数，MTCK（MC为电机电磁常数、为励磁磁通） ，CU为功放电源，AL为电枢电感，ST为电机静摩擦力矩。另外，选择切换频率具体还应考虑以下几个方面：（1）微振的最大角位移应小于允许的位置误差。在伺服系统中，假设要求位置误差小于，则要求切换频率满足下式：31)192(JLUKFFACTT式中，J为电机及负载的转动惯量。（2）应尽量减小电机内产生的高频功耗。PWM 脉冲信号的谐波分量将引起电机内部的功耗，降低效率。为此切换频率应足够高，使名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - 电机电枢感抗大大超过电枢内阻，即要求AATLRF2式中，AR是电机电枢电阻。（3）应当远远大于系统的固有频率，防止系统固有振荡。实际设计时应综合考虑上述条件，在1000Hz 至数万 Hz 的范围内选取 PWM 切换频率。 特别需要强调的是， 由于伺服电机的电枢电感较小，如果频率不够高，交流分量过大，很容易烧毁功放管。不过功放管的开关频率总有一个限度，对大功率功放管来说， 开关频率越高，制造工艺难度越大，成本也越高。因此，用户要根据自己的实际需要确定有关参数，使自己构建的功率放大器有较高的性能价格比。二、标准的 PWM 功率放大器图 2 举出了一个实际的标准双极性PWM 功率放大器。它是一个典型的 H 型功放，四个功放管分别采用NPN 型达林顿管 TIP122 和PNP 型达林顿管 TIP127 。PWM 脉冲信号通过光电耦合器件4N35加到晶体管的输入端。 4N35 的作用是把控制电源与驱动电源隔离，以免驱动器电源不稳定影响整个控制系统；同时，4N35 的输出端还提供功放管的基极驱动电流。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - 系统的工作过程如下： 当 PWM1 端变为低电平且PWM2 端为高电平时，功放管 Q2/Q3 导通，Q1/Q4 截止，电流从电机两侧的B 点流向 A 点，此时电机正转；反之，反转。二极管D1、D2、D3、D4是续流二极管， 在晶体管切换时提供电流通路，并联在二极管两端的电阻和电容也起续流作用。PWM1 和 PWM2 是两路控制信号。如果加上如图 3 所示的信号，则构成单极性功放电路。PWM 信号由 8051 单片机的定时器产生，由 P1.0 输出。P1.1 的高低电平代表电机的正反转。四个功放管采用MOS 管。当电机要求正转时， 单片机的 P1.1 输出高电平信号， 该信号分为三路：第一路接与门 Y1 的输入端，使与门 Y1 的输出由 PWM决定，所以开关管Q1 栅极受 PWM 控制；第二路直接与开关管Q4相连使 Q4 导通；第三路经非门连接到与门Y2 的输入端，使与门 Y2的输出为 0，结果开关管 Q2 截止。从非门输出的另一路信号与开关管 Q3 的栅极相连，其低电平信号也将使Q3 截止。类似地，电机要名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - 求反转时，单片机P1.1 输出低电平信号，各功放管的导通与截止与电机正转时正好相反。双极性 PWM 电路中， PWM1 和 PWM2 两路控制信号通常不是严格对称的，造成切换过程中有一个小的时间延迟WT，如图 4 所示。WT实际上是功率管的开关时间，考虑时间延迟的目的是为了防止H桥同侧的功放管在开关切换时短路。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - - 三、集成 PWM 功率放大器目前，针对中小功率的 PWM 功放电路已经有现成的集成分立器件出售，由于所有的 PWM 功能集成在一块芯片上， 使得这些集成分立器件可靠性高，性能好，使用方便。对于初学者而言，调定功放电路元器件各种参数既麻烦又需要经验，然而集成 PWM 功放器件的出现，简化了问题。下面以美国国家半导体公司的LMD18245 为例来说一下。LMD18245 是采用 DMOS 工艺的 H桥 PWM 集成功放电路芯片，专供直流电机或步进电机驱动，共有15 个引脚， T-220 封装。图 5是该芯片的外形和引脚图。 电源电压范围为 1255V，额定电流 3A，峰值电流 6A。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - 图 5：LMD18245 外形和引脚图 6 是 LMD18245 的内部结构图。BRAKE 和 DIRECTION 两个控制信号的组合决定芯片工作于单极性PWM 还是双极性 PWM 。表1 描述了这两种组合对应的DMOS 管的导通情况。在表 1 中， MONO为电流监测信号， 如不考虑它的影响， 在 BRAKE 端加上 PWM 信号，在 DIRECTION 端加上一个固定电平，则LMD18245 工作在单极性PWM 方式；反之，如果在BRAKE 端加上低电平，在DIRECTION端加上 PWM 脉冲，则 LMD18245 工作在双极性平PWM 方式。从图 6 的内部结构来看， 该芯片内部带有电流反馈控制电路，为保证电流反馈电路正常工作，必须在CS OUT 端接一个电流取样电阻到地，该电阻值 R 决定了电压比较器（ COMPAPATOR ） “ -”端电压值V。该电压计算公式为：610250RVV。 电压比较器的“+”端电压V的计算公式为：16DVVDACREFV。式中DACREFV是参考电压， D 是 015 的常数，由名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - M1M4 决定。用户可以根据需要来设置M1M4 的大小，从而限制电机的电枢电流。图 6：LMD18245 内部结构原理图表 1 中 MONO 表示单稳态触发器的状态，若电机电枢超过用户设定值， MONO 变为低电平；正常工作时，MONO 为高电平。BRAKE DIRECTION MONO 导通开关管H X X S1、S2 L H L S2 L H H S2、S3 L L L S1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 9 页 - - - - - - - - - L L H S1、S4 表1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - -